Rychlejší, tišší, čistší – nový letecký motor

Ukazuje se, že abyste toho v letectví hodně změnili, nemusíte hledat nové vrtule, futuristické designy ani vesmírné materiály. Stačí použít relativně jednoduchou mechanickou převodovku ...

Jde o jednu z nejdůležitějších inovací posledních let. Převodové turboventilátorové motory (GTF) umožňují kompresoru a ventilátoru otáčet se různými rychlostmi. Ozubené kolo pohonu ventilátoru se otáčí spolu s hřídelí ventilátoru, ale odděluje motor ventilátoru od nízkotlakého kompresoru a turbíny. Ventilátor se otáčí nižší rychlostí, zatímco kompresor a nízkotlaká turbína pracují při vyšších otáčkách. Každý modul motoru může pracovat s optimální účinností. Po 20 letech výdajů na výzkum a vývoj a výzkum a vývoj ve výši přibližně 1000 2016 miliard USD byla řada turbodmychadel Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG v provozu před několika lety a od roku XNUMX byla masivně zaváděna do komerčních letadel.

Moderní turboventilátorové motory generují tah dvěma způsoby. Nejprve jsou v jeho jádru umístěny kompresory a spalovací komora. Vpředu je ventilátor, který poháněný jádrem směřuje vzduch přes obtokové komory kolem jádra motoru. Obtokový poměr je poměr množství vzduchu procházejícího jádrem k množství vzduchu, který jím prochází. Obecně platí, že vyšší obtokový poměr znamená tišší, účinnější a výkonnější motory. Konvenční turboventilátorové motory mají obtokový poměr 9:1. Motory Pratt PurePower GTF mají obtokový poměr 12:1.

Pro zvýšení obtokového poměru musí výrobci motorů zvětšit délku lopatek ventilátoru. Při protažení však budou rychlosti otáčení získané na konci čepele tak vysoké, že dojde k nežádoucím vibracím. Ke zpomalení potřebujete lopatky ventilátoru a k tomu převodovka slouží. Takový motor může mít podle Pratt & Whitney až 16 procent. skvělá spotřeba paliva a 50 procent. méně výfukových emisí a je 75 procent. klid. Nedávno SWISS a Air Baltic oznámily, že jejich proudové motory GTF řady C spotřebují ještě méně paliva, než výrobce slibuje.

Motor PW1100G-JM na výrobní lince

Časopis TIME označil motor PW1000G za jeden z 50 nejdůležitějších vynálezů roku 2011 a jeden ze šesti vynálezů nejšetrnějších k životnímu prostředí, protože Pratt & Whitney PurePower je navržen tak, aby byl čistší, tišší, výkonnější a spotřeboval méně paliva než stávající proudové motory. V roce 2016 Richard Anderson, tehdejší prezident Delta Air Lines, nazval motor „první skutečnou inovací“ od doby, kdy Dreamliner společnosti Boeing způsobil revoluci v kompozitní konstrukci.

Úspory a snížení emisí

Sektor komerčního letectví vypouští ročně více než 700 milionů tun oxidu uhličitého. I když jde jen o 2 procenta. globálních emisí oxidu uhličitého, existují důkazy, že skleníkové plyny v leteckém palivu mají větší dopad na atmosféru, protože se uvolňují ve vyšších nadmořských výškách.

Hlavní výrobci motorů se snaží šetřit palivo a snižovat emise. Konkurent společnosti Pratt CFM International nedávno představil svůj vlastní pokročilý motor nazvaný LEAP, o kterém představitelé společnosti říkají, že poskytuje podobné výsledky jako převodový turboventilátor na úkor jiných řešení. CFM tvrdí, že v tradiční architektuře turboventilátoru lze dosáhnout stejných výhod bez přidané hmotnosti a odporu hnacího ústrojí. LEAP používá lehké kompozitní materiály a lopatky ventilátoru z uhlíkových vláken k dosažení zlepšení energetické účinnosti, která jsou podle společnosti srovnatelná s těmi, kterých bylo dosaženo u motoru Pratt & Whitney.

K dnešnímu dni jsou objednávky motorů Airbus pro A320neo zhruba rovnoměrně rozděleny mezi CFM a Pratt & Whitney. Bohužel pro posledně jmenovanou společnost způsobují motory PurePower uživatelům problémy. První se objevil letos, kdy bylo zaznamenáno nerovnoměrné chlazení motorů GTF v Qatar Airways Airbus A320neo. Nerovnoměrné chlazení může vést k deformaci a tření dílů a zároveň prodloužit dobu mezi lety. V důsledku toho letecká společnost dospěla k závěru, že motory nesplňují provozní požadavky. Krátce poté indické letecké úřady pozastavily lety 11 letadel Airbus A320neo poháněných motory PurePower GTF. Podle listu Economic Times rozhodnutí přišlo poté, co letouny s pohonem Airbus GTF utrpěly během dvou týdnů tři poruchy motoru. Pratt & Whitney tyto obtíže bagatelizuje a tvrdí, že je lze snadno překonat.

Elektronický ventilátor Airbus

Další gigant na poli leteckých motorů, Rolls-Royce, vyvíjí vlastní Power Gearbox, který do roku 2025 sníží spotřebu paliva u velkých turbodmychadel o 25 %. oproti starším modelům známé řady motorů Trent. To samozřejmě znamená novou designovou soutěž Pratt & Whitney.

Britové uvažují i ​​o jiných druzích inovací. Během nedávné Airshow v Singapuru Rolls-Royce spustil iniciativu IntelligentEngine Initiative, jejímž cílem je vyvinout inteligentní letecké motory, které jsou bezpečnější a účinnější díky schopnosti komunikovat mezi sebou a prostřednictvím podpůrné sítě. Poskytováním nepřetržité obousměrné komunikace s motorem a dalšími částmi servisního ekosystému bude motor schopen řešit problémy dříve, než nastanou, a naučit se, jak zlepšit výkon. Také by se poučili z historie své práce a dalších motorů a celkově by se dokonce museli sami opravovat za pochodu.

Drive potřebuje lepší baterie

Vize letectví Evropské komise do roku 2050 požaduje snížení emisí CO.₂ o 75 procent, oxidy dusíku o 90 procent. a hluk o 65 procent. Nelze jich dosáhnout pomocí stávajících technologií. Elektrické a hybridně-elektrické pohonné systémy jsou v současné době považovány za jednu z nejslibnějších technologií pro řešení těchto výzev.

Na trhu jsou dvoumístná elektrická lehká letadla. Čtyřmístná hybridní elektrická vozidla jsou na obzoru. NASA předpovídá, že na počátku 20. let tento typ devítimístného dopravního letadla na krátké vzdálenosti přinese letecké služby zpět do menších komunit. V Evropě i v USA se vědci domnívají, že do roku 2030 je možné postavit hybridně-elektrické letadlo s kapacitou až 100 míst. V oblasti skladování energie však bude zapotřebí výrazného pokroku.

Aktuálně energetická hustota baterií prostě nestačí. To vše by se však mohlo změnit. Šéf Tesly Elon Musk uvedl, že jakmile budou baterie schopny produkovat 400 watthodin na kilogram a poměr výkonu článku k celkové hmotnosti bude 0,7-0,8, stane se elektrické transkontinentální dopravní letadlo „obtížnou alternativou“. Vzhledem k tomu, že lithium-iontové baterie byly schopny dosáhnout hustoty energie 113 Wh/kg v roce 1994, 202 Wh/kg v roce 2004 a nyní jsou schopny dosáhnout přibližně 300 Wh/kg, lze předpokládat, že během příštího desetiletí dosáhne úrovně 400 Wh/kg.

Projekt elektrického dvoumístného aerotaxi Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce a Siemens nedávno spolupracovaly na vývoji létajícího demonstrátoru E-Fan X, který bude významným krokem vpřed v hybridním elektrickém pohonu komerčních letadel. Očekávaná demonstrace hybridní elektrické technologie E-Fan X - Fan X poletí v roce 2020 po rozsáhlé pozemní testovací kampani. V první fázi nahradí BAe 146 jeden ze čtyř motorů elektromotorem o výkonu XNUMX MW. Následně je plánována výměna druhé turbíny za elektromotor po prokázání vyspělosti systému.

Airbus bude zodpovědný za celkovou integraci i hybridní elektrický pohon a architekturu řízení baterie a její integraci se systémy řízení letu. Rolls-Royce bude zodpovědný za motor s plynovou turbínou, XNUMXmegawattový generátor a výkonovou elektroniku. Společně s Airbusem bude Rolls-Royce pracovat také na přizpůsobení ventilátorů stávající gondole Siemens a elektromotoru. Siemens dodá elektromotory o výkonu XNUMX MW a elektronický regulátor výkonu, stejně jako invertor, měnič a systém distribuce energie.

Mnoho výzkumných center po celém světě pracuje na elektrických letadlech, včetně NASA, která staví X-57 Maxwell. Rozvíjí se také projekt elektrického dvoumístného aerotaxi Kitty Hawk a mnoho dalších struktur velkých center, firem nebo malých start-upů.

Vzhledem k tomu, že průměrná životnost osobních a nákladních letadel je kolem 21 a 33 let, i když všechna nová letadla vyrobená zítra budou čistě elektrická, trvalo by dvě až tři desetiletí, než by se letadla na fosilní paliva vyřadila.

Takže to nebude fungovat rychle. Mezitím mohou biopaliva ulehčit životnímu prostředí v odvětví letectví. Pomáhají snížit emise oxidu uhličitého o 36–85 procent. Navzdory skutečnosti, že směsi biopaliv pro proudové motory byly certifikovány již v roce 2009, letecký průmysl se zaváděním změn nespěchá. Se zavedením výroby biopaliv na průmyslovou úroveň je spojeno jen málo technologických překážek a výzev, ale hlavním odrazujícím faktorem je cena – dosažení parity s fosilními palivy trvá dalších deset let.

Vstupte do budoucnosti

Zároveň laboratoře pracují na poněkud futurističtějších konceptech leteckých motorů. Zatím například plazmový motor nezní příliš realisticky, ale nelze vyloučit, že se vědecké práce vyvinou v něco zajímavého a užitečného. Plazmové trysky využívají elektřinu k vytváření elektromagnetických polí. Stlačují a excitují plyn, jako je vzduch nebo argon, do plazmy – horkého, hustého, ionizovaného stavu. Jejich výzkum nyní vede k myšlence vypouštění satelitů ve vesmíru (iontové trysky). Berkant Goeksel z Technické univerzity v Berlíně a jeho tým však chtějí do letadel umístit plazmové trysky.

Cílem výzkumu je vyvinout vzduchový proudový plazmový motor, který by mohl být použit jak pro starty, tak pro lety ve velkých výškách. Plazmové trysky jsou obvykle navrženy tak, aby fungovaly ve vakuu nebo nízkotlaké atmosféře, kde je vyžadován přívod plynu. Gökselův tým však testoval zařízení schopné fungovat ve vzduchu při tlaku jedné atmosféry. „Naše plazmové trysky mohou dosáhnout rychlosti až 20 kilometrů za sekundu,“ říká Göckel v sérii konferencí Journal of Physics.

Motor SABRE v hypersonickém vozidle budoucnosti

Pro začátek tým testoval miniaturní trysky dlouhé 80 milimetrů. U malého letadla to bude až tisíc z toho, co tým považuje za možné. Největším omezením je samozřejmě nedostatek lehkých baterií. Vědci uvažují i ​​o hybridních letounech, ve kterých by byl plazmový motor kombinován se spalovacími motory nebo raketami.

Když mluvíme o inovativních koncepcích proudových motorů, nezapomeňme na SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) vyvinutý společností Reaction Engines Limited. Předpokládá se, že se bude jednat o motor pracující jak v atmosféře, tak ve vakuu na kapalný vodík. V počáteční fázi letu bude okysličovadlem vzduch z atmosféry (jako u konvenčních proudových motorů) a z výšky 26 km (kde loď dosáhne rychlosti 5 milionů let) - kapalný kyslík. Po přepnutí do raketového režimu dosáhne rychlosti až 25 Machů.

HorizonX, investiční pobočka Boeingu zapojená do projektu, se ještě musí rozhodnout, jak by jej SABRE mohl využít, kromě toho, že očekává, že „použije revoluční technologii, která pomůže Boeingu v jeho snaze o nadzvukový let“.

RAMJET a scramjet (nadzvukový proudový motor se spalovací komorou) jsou již dlouho na ústech fanoušků vysokorychlostního letectví. V současné době jsou vyvíjeny především pro vojenské účely. Jak však učí historie letectví, co se bude testovat v armádě, půjde do civilního letectví. Chce to jen trochu trpělivosti.

Video s inteligentním motorem Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovace v IntelligentEngine